豐富多彩的新疆界任務

文/ 張雪松

2017年底，美國宇航局（NASA）公布了競爭下一次（第四次）新疆界任務的最新結果：12個競爭提案中兩個方案脫穎而出，它們分別是康奈爾大學的楚留莫夫-格拉希門克（67P）取樣返回探測的“凱撒”方案，以及約翰霍普金斯大學的土衛六探測的“蜻蜓”方案。它們將在未來進行最后的角逐，預計2019年7月NASA將評選出最后的勝利者，作為第四次新疆界級任務于2024年發射。

▲ 奧西里斯探測器和它攜帶的返回艙

新疆界級任務的由來

美國是世界上深空探測能力最強的國家，目前美國宇航局的深空探測項目按照預算高低分為三個級別：旗艦級、新疆界級和發現級。美國已經發射了三個新疆界級探測器，分別是探索冥王星的新視野號飛掠器，探索木星的朱諾號軌道器，以及小行星取樣返回的奧西里斯探測器。

NASA的旗艦級任務威名赫赫，我們都不會陌生，早已隕落的木星軌道器伽利略號，去年年底剛剛隕落的卡西尼號土星探測器，現在仍然活躍的好奇號火星車都是旗艦級任務，更早還有海盜號火星探測器和旅行者號星際探測器也都是旗艦級任務。發現級任務歷史沒那么悠久，但同樣戰果輝煌，第一臺火星車探路者號、探索彗星彗發成分的星塵號探測器、深度撞擊撞擊器、探索水星的信使號和探索小行星的黎明號也都在星空刻下了自己的名字。相對而言，新疆界級任務歷史最短任務最少，但它并非不重要，新疆界級任務是美國行星探測承上啟下的重要部分。

NASA的深空探測任務林林總總讓人目不暇接，那么它們到底有什么區別呢？簡單地說，旗艦級任務預算超過10億美元，是人類達到探索高優先級目標的關鍵任務，每次任務目標事先確定。發現級任務預算不超過5億美元，用于多快好省的探索太陽系的行星，它的特點是通過引入項目競標，由首席科學家（PI）帶領團隊競爭，這種方式探索目標事前不確定，也更有利于推動創新。新疆界級任務介于兩者之間，它的預算不超過10億美元，吸取了發現級任務首席科學家領導的特點，用于完成那些預算開支超出發現級任務的規模，但重要性和預算又不足以躋身旗艦級之列的探測任務。簡單地說，新疆界級任務某種程度上可以看作是發現級任務的放大版，用于彌補發現級任務預算有限，對有些深空探索任務心有余而力不足的遺憾。

“新視野號”任務的成功

NASA的旗艦級任務重要性毋庸置疑，在深空探索體系中的地位也無人撼動。發現級任務以其多快好省和創新靈活的特點，收獲了廣泛的贊譽，那么新疆界級任務到底成效如何呢？其實我們看現有的三個任務就知道，它已經取得了空前的成功！

“新視野號”任務是第一個新疆界級任務，有趣的是它早在2001年11月就正式入選，而新疆界級任務實際上是2003年才正式進入NASA的預算規劃，“新視野號”按照劃分原則在時間上溯及既往，也被劃為新疆界級探索任務。“新視野號”的目標是冥王星，21世紀初冥王星正好位于近日點附近，如果錯過這個發射探測器的機會，將來即使發射性能更好的探測器，冥王星軌道日益遠離太陽，冥王星大氣也將冷凝，探測獲得的科學發現將大打折扣。幸運的是，雖然NASA在20世紀90年代末取消了“冥王星-柯伊伯快車”探測計劃，但經過科學家們的大力呼吁，2000年12月20日NASA重新論證探索冥王星的計劃，但直到2003年初新視野號探測器才得到預算支持開始研制，并在2006年1月19日由宇宙神5火箭發射升空。

▲ “朱諾”勇闖木星輻射帶

▲ 67 P彗星取樣返回的“凱撒”方案

NASA內部曾經有句名言：“即使把一塊磚頭送到木星以遠的軌道也是旗艦級任務”，這個戲謔的說法形象地表達了對外太陽系進行探索的難度。然而新視野號探測器是要去探索最遙遠的冥王星，卻并非一個旗艦級任務，而是一個中等的新疆界級任務，自然要做太多的取舍。“新視野號”只攜帶了總重30千克的7臺科學載荷，其中包括3部相機用于獲取可見光、紅外和紫外波段的照片，此外還有太陽風測量儀、能量粒子譜儀和塵埃計數器等設備，用于測量冥王星附近的太陽風、大氣和塵埃。“新視野號”2015年7月14日飛到最接近冥王星的位置，在距離冥王星12500公里的地方以13.78公里/秒的速度飛掠而過。它在飛掠冥王星-卡戎雙星系統時拍攝了大量照片，獲取了總計50吉比特的科學數據，事后用了約一年時間才陸陸續續傳回地球。

“新視野號”極大地擴展了人們對冥王星的認識。在它抵近飛掠前人們只有地面望遠鏡和哈勃空間望遠鏡遠距離遙感拍攝的模糊照片，而“新視野號”飛掠冥王星帶來了最高分辨率約60米的“高清”照片，分辨率和成像質量遠遠超過了哈勃望空間遠鏡。“新視野號”的照片顯示冥王星存在復雜的地質結構，它表面存在大量的甲烷冰，還發現了山脈、峽谷、冰川、隕石坑甚至冰火山，它的北極存在甲烷冰和氮冰構成的極冠。通過統計表面的隕石坑數量，科學家們發現冥王星表面有些地方十分古老，是太陽系剛剛形成時就存在并保留到今天，而有些地方十分年輕，很可能只有1000萬年歷史。這個獨特的發現說明冥王星存在相當活躍的地質活動，遙遠而寒冷的冥王星看來并不是一個死寂的星球。

“新視野號”的紫外線成像光譜儀搜集了冥王星大氣的數據，發現冥王星大氣層高度可達1600公里，最高處是氮氣，中下部是甲烷，而在靠近表面的地方還有碳氫化合物。這個稀薄而巨大的大氣層并非可有可無，根據探測，冥王星也有持續的四季變化，冥王星表面的冰川很可能就是升華冷凝而成，甚至因此存在冰川侵蝕現象，造就了多樣化的地形。科學家們將冥王星表面巨大的心形結構命名為“湯博” 區，以紀念冥王星的發現者湯博。湯博區內的大冰原命名為“斯普特尼克”平原，紀念人類發射的第一顆人造衛星。值得一提的是，冥王星地圖上已經留下了中國文化的印記，鄭和山、孟婆斑和玉兔線已經成為國際天文聯合會正式命名的冥王星地名。

“朱諾”和“奧西里斯”任務

“朱諾號”是第二個新疆界級任務，它是人類的第二個木星軌道器，前輩正是NASA的旗艦級任務伽利略號探測器。“朱諾號”雖然預算沒那么多，但設計上很有特色，它是人類第一個使用太陽能電池為動力的外太陽系探測器！另外“伽利略號”已經拍攝了大量木星照片，而朱諾號探測器的重點是研究木星的磁場、引力場和內部結構，并獲取木星核心質量、大氣成分等重要數據，至于它的可見光相機，性能反而相對有限。

▲ 木星極區（南極）氣旋

▲ 探索土衛六泰坦的“蜻蜓”方案

“朱諾號”同樣使用宇宙神5火箭發射，2011年8月5日發射的“朱諾號”2013年飛過地球軌道，使用一次地球引力輔助加速（引力彈弓）飛向木星，2016年7月5日“朱諾號”進入木星軌道。木星作為太陽系最大的行星擁有最多的質量和最強的磁場，木星磁場頂著太陽風形成一把彗星狀的巨傘，磁場長尾甚至遠達6億公里外的土星軌道！木星磁場不僅范圍廣，強度也令人頭皮發麻，木星附近具有極強的輻射，別說人無法生存，連一般的電子設備都無法承受。“朱諾號”為了闖過鬼門關，使用了專用的抗輻射加固處理器，可以在100萬倍于致死輻射強度的環境下工作！“朱諾號”還設計了專門的鈦殼降低木星周圍輻射帶的影響，保證內部電子設備的正常工作。“朱諾號”的姿態保持都沒有使用當今成熟可靠的三軸穩定方式，而是選用了古老但更可靠的自旋穩定方式。即使如此強化，要在木星磁場深處展開研究仍然需要精打細算。“朱諾號”設計壽命只能繞木星飛行37圈，而探測器入軌后出現推進系統閥門故障，原定從53.5天周期軌道轉入14天軌道的機動被迫推遲，后來又出現計算機意外重啟并進入安全模式，退出安全模式后NASA經過評估，2017年2月放棄了轉入14天軌道的計劃，但這樣一來“朱諾號”只能繞木星飛行14圈了。

盡管人算不如天算，但“朱諾號”已經取得了巨大的成功。“朱諾號”的磁強計正在測量木星磁場，有望對木星獲得除地球外最精細的行星磁場數據，繪制木星磁場的精細立體結構圖。“朱諾號”的重力科學載荷將對木星引力場進行探測，深入探察木星的內部結構包括核心質量，了解木星的內部質量分布包括木星核心質量，讓我們完善木星等氣體巨行星形成的理論。木星高能粒子探測器用于探測木星大氣的氫氦氧等離子的能量和分布，通過測量木星的氫氧比例確定木星上水的豐度。通過“朱諾號”的深入探測，科學家們發現木星磁場比此前推測的還要強大，7.766高斯的磁場強度比地球上最強的磁場還要強10倍！木星磁場形狀不規則，預示著磁場產生地可能不是木星的金屬核心。“朱諾號”相機拍到木星極地存在多個地球大小的氣旋，它的微波輻射計發現木星大氣的云帶十分詭異，赤道云帶一直深入到木星大氣深處。

“新視野號”和“朱諾號”取得了很大的成功，而第三個新疆界級任務“奧西里斯”正在飛向小行星的途中。奧西里斯探測器的目標是對“貝努”1999 RQ36號小行星進行取樣返回探測，貝努是一顆碳質小行星，可能富含水分甚至有機物，它的樣本有助于我們了解太陽系早期以及生命的演化。貝努小行星直徑大約560米，從軌道數據推測2200年前有碰撞地球帶來毀滅的可能性，奧西里斯探測器的訪問也對我們進一步了解這顆小行星，在未來防范飛來橫禍具有一定的價值。奧西里斯探測器的全稱是“起源、光譜釋義、資源識別、安全和風化層探測器”，這么別扭的稱呼就是為了湊出奧西里斯（埃及神話的豐饒之神和冥王）這個名字，暗合這次任務探索生命起源和地球安全的目標，實在是煞費苦心了。

▲ 新視野號冥王星探測器

雖然名字很有特色，不過奧西里斯號探測器的核心任務還是取樣返回。2016年9月奧西里斯探測器發射升空，2018年12月飛過小行星拍照并確定取樣區，2020年7月著陸貝努小行星并采集約60克樣本，最后在2023年釋放返回艙著陸美國猶他州。奧西里斯號探測器從某種意義上說是美國被日本的“隼鳥”號計劃刺激的產物，“隼鳥”率先實現了小行星取樣返回，而小行星探測也由于它的科學價值外加奧巴馬的載人登陸小行星計劃成了熱門，奧西里斯號探測器在第三個新疆界級任務中脫穎而出也就不奇怪了。不過話說回來，奧西里斯號探測器的任務難度和科學價值，相比新視野號和朱諾號多少有些遜色。

新穎的第四次新疆界任務

第四個新疆界級任務的競爭開始于2017年1月，各個團隊紛紛向NASA提交探測方案，最終形成了12個不同的方案。其中包括彗星取樣返回的三個方案，月球背面南極-艾特肯盆地取樣返回的月球方案，對海洋世界（土星衛星）進行探索的四個方案，還有一個土星探測器方案，寂寞已久的金星也迎來了三個探測方案。

美國深空探索中一直把生命起源和探測作為重點，在這種傾向下67P彗星取樣返回的“凱撒”和探索土衛六泰坦的“蜻蜓”方案脫穎而出也就不足為奇了。67P彗星正是歐空局羅塞塔-菲萊探測器的目標，其遠日點在木星軌道以遠，保留了大量太陽系早期的起源信息。歐空局當年曾打算實施彗星取樣返回，不過由于技術難度和預算太大退而次之，羅塞塔探測器對67P彗星的探測成績斐然，大大加深了我們對彗星的了解，如果能從67P彗星取樣返回，我們對彗星、太陽系乃至生命的起源和歷史，都將獲得更多的認識。

“蜻蜓”方案要探測的土衛六泰坦更是一顆誘人的衛星，它擁有比地球還稠密的大氣層，雖然溫度低但表面存在甲烷湖泊，大氣層存在甲烷云層和甲烷雨，這幾乎就是一個微縮版的早期地球。土衛六存在生命么？科學家們對此猜測很多，有人認為它的甲烷湖中可能存在簡單的早期生命。“蜻蜓”任務將是一個著陸的旋翼機，其飛行高度可達4公里，飛行距離可達數十公里，對土衛六表面和大氣層進行多點探索，探測生命起源以前的有機物的演化過程，搜索是否存在水甚至碳氫化合物為基礎的生命。它可能為我們帶來地球早期環境下復雜有機物發展演化的線索，如果發現了地外生命，那就更是意外的驚喜了。

總而言之，無論是67P彗星取樣的“凱撒”方案還是土衛六探測的“蜻蜓”方案，目標都是為了追尋生命的起源。無論是哪個方案最終獲勝，其探測成果都將是令人期待的。